01.07.2021
Windkraftanlage im Winter, Glasfasern werden zu einem Textil verarbeitet und mit Epoxidharz getränkt, Rissbildung in FKV bei verschiedenen Temperaturen

Windkraftanlage im Winter (links), Glasfasern werden zu einem Textil verarbeitet und mit Epoxidharz getränkt (rechts oben), Rissbildung in FKV bei verschiedenen Temperaturen (rechts unten)

Quelle: links: istock/ kruwt; rechts: BAM, Fachbereich Polymere Verbundwerkstoffe

Rotorblätter von Windkraftanlagen werden aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (FKV) hergestellt. Der moderne Leichtbau-Werkstoff zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht aus und es lassen sich komplex geformte Schalenstrukturen mit einer guten Oberflächenqualität herstellen. Damit ist diese Werkstoffklasse ideal für Luftfahrtanwendungen und die Rotorblätter von Windkraftanlagen, bei den es auf die aerodynamische Formgebung besonders ankommt.

Isotrope, metallische Werkstoffe sind unter mechanischer Last unempfindlich gegen Temperaturschwankungen im Bereich von -40°C bis +70°C, was dem Einsatzbereich von Windkraftanlagen entspricht. Hingegen ist bei FKV das thermische Ausdehnungsverhalten von den 10µm dicken Glasfasern und der Epoxidharzmatrix unterschiedlich. Somit kann allein eine Temperaturwechselbeanspruchung insbesondere in Kombination mit mechanischer Beanspruchung zu einer Mikrorissbildung, also einer Schädigung des Werkstoffs führen und die Lebensdauer der Rotorblätter mindern. Folglich müssen aufwendige Materialtest bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen erfolgen, um einen FKV für die zu erwartende Lebensdauerbeanspruchung zulassen zu können.

Im Rahmen eines von der DFG geförderten Forschungsprojektes ist es an dem Fachbereich 5.3 für Polymere Verbundwerkstoffe der Abteilung 5 für Materialtechnik gelungen, ein analytisches Werkstoffmodell zu formulieren, mit Hilfe dessen die Rissbildung und somit das Ermüdungsverhalten der FKV auf Basis der gemessenen thermischen Ausdehnungseigenschaften von Faserverstärkung und Matrix vorausberechnet werden kann. Das Team um Prof. Dr. Volker Trappe und Dr. David Kraus kann so zeigen, dass es reicht aufwendige Festigkeits- und Schwingfestigkeitsversuche nur bei Raumtemperatur durchzuführen und den die Lebensdauer beeinflussenden Temperatureinfluss zu berechnen. Dies reduziert die experimentellen Nachweisführung für einen neuen FKV erheblich und spart Zeit und Kosten.

Transverse damage in glass fiber reinforced polymer under thermo-mechanical loading
David Kraus, Volker Trappe
erschienen in Composites Part C, Volume 5, S.100147, July 2021
BAM Fachbereich Polymere Verbundwerkstoffe